兗礦綜合機械化放頂煤工作麵礦井通風技術

綜采放頂煤開采特厚煤層受到許多因素的製約，給礦井安全生產帶來了許多新難題，例如煤炭自燃的預防、瓦斯防治、粉塵控製等。尤其是對於高瓦斯煤層，由於綜放工作麵產量集中，瓦斯散發麵大，特別是當采煤機割煤移架過程中頂煤應力狀態和煤體結構發生改變，產生大量的裂隙，使煤體中的大量吸附瓦斯解吸成遊離瓦斯釋放到工作空間和采空區，同時采空區遺煤也會湧出部分瓦斯，造成大量的瓦斯積存於采空區。當頂板來壓或放煤時，采空區瓦斯將大量湧入工作麵，往往造成工作麵回風流中瓦斯濃度超限。所以，采取合理的通風係統和有效的瓦斯防治技術是實現綜放麵高產高效的關鍵所在。
1、綜放開采礦井通風技術
1.1綜放工作麵通風係統主要特征
兗州礦區綜放工作麵是在分層綜采工作麵的基礎上衍生和發展起來的。分層綜采工作麵和綜采放頂煤工作麵（即綜放工作麵）回采煤層均為第3煤層，工作麵之間均為沿空送巷布置方式（即工作麵之間隻留1--3m煤皮，不留煤柱）。綜放工作麵與分層綜采工作麵相比較，工作麵長度、推進長度、巷道布置、生產係統等基本相同。
綜放工作麵通風係統采用了分層綜采工作麵通風方式（工作麵"U"型通風），其配風量按分層綜采工作麵風量公式計算。圖4－2－1為興隆莊礦5306綜放工作麵通風係統示意圖。

工作麵通風係統包括工作麵通風係統的型式、風流方向、從工作麵到采區（或礦井）總進、回風巷的通風網路和通風構築物等內容。兗州礦區綜放工作麵通風係統歸納起來有以下主要特征：
1.1.1工作麵為“U"型通風。
1.1.2工作麵盡可能選用下行通風。因煤層傾角小，一般為2o－7o，瓦斯湧出量小，工作麵下行通風符合《煤礦安全01manbetx 》規定，這是其一；其二，工作麵下行通風，下隅角為回風側，溫度較高，與采空區內部溫差則較小，從而可以減少下限角與采空區之間的自然風壓，減少采空區內部因演然風壓產生的漏風，有利於預防采空區浮煤自然發火；其三，工作麵下行通風，上隅角在進風側，溫度較低而位置較高，因為自然風壓方向總是自下而上，所以不可能產生因自然風壓產生的漏風；同時上隅角為進風側、風壓較高，還可以抵消一部分采空區內部的自下而上的自然風壓；其四，工作麵若為上行通風，下隅角為進風側，溫度低而風壓高，增加了采空區內部漏風風壓，不利於預防采空區浮煤自然發火。
1.1.3工作麵沿采空區一側順槽一般選作進風順槽，沿實體煤一側順槽一般選作回風順槽（圖4－2－1）。沿采空區一側順槽用作進風，風壓較高，有利於減少采空區氣體泄放到進風順槽和工作麵，尤其是減少一氧化碳氣體的泄出，改善了工作麵通風條件，保障了工作人員的身體健康。
1.1.4工作麵移動變電站一般設在進風順槽，運輸設備一般設在回風順槽，移動變電站設在進風順槽，處於新鮮風流中，工作環境好。運輸設備設在回風順榴，運輸過程中產生的粉塵、破碎機破碎煤炭過程中產生的粉塵都直接從回風順槽排走，不進入工作麵，有利於改善工作麵的作業環境。
1.1.5工作麵進風順槽通過聯絡巷和集中巷與采區進風上（下）山相連通。工作麵回風順槽通過聯絡巷和集中巷與采區回風上（下）山也相連通。改變聯絡巷道中風門的開、關狀態，便可很方便地改變工作麵的風流方向，實現工作麵的區域反風，有利於工作麵的災變（主要是自然發火）處理，防止有毒有害氣體進入工作麵。
2、綜放工作麵風量的確定
采煤工作麵需風量的計算是礦井風量計算的核心。目前采煤工作麵需風量的計算公式是根據采煤工作麵單產較低的生產條件下製定的，對於綜放工作麵的風量計算已不適用，如何合理計算綜放工作麵風量，直接影響到綜放工作麵的安全和經濟效益。正確地確定綜放工作麵的配風量，應根據綜放工作麵產量大、回采速度快、工作麵長、設備多等特點，客觀實際地確定綜放工作麵影響配風因素，在此基礎上確定綜放工作麵的風量計算方法。
2.1綜放工作麵配風量的影響因素
綜放工作麵應把工作麵湧出的瓦斯降低到（煤礦安全01manbetx ）所允許的濃度，而高瓦斯礦井影響綜放工作麵配風的主要因素是瓦斯。統計數據表明，年產150萬t以上的綜放工作麵主要是低瓦斯礦井。近幾年來，通過對兗州礦區的鮑店煤礦、南屯煤礦、東灘煤礦、興隆莊煤礦等礦井多個綜放工作麵配風量的影響因素進行的實際測定，掌握了影響綜放工作麵配風的影響因素，主要有地麵空氣、機電設備散熱、煤塵濃度及采煤工作麵長度等。
2.1.1地麵空氣溫度對工作麵進風風流溫度的影響
采煤工作麵進風風流溫度指的是移動變電站前風流的溫度。地麵空氣流入井下後，主要受圍岩散熱的影響。冬季地麵空氣溫度較低，一般進風井口都有取暖設備，冷空氣經過時溫度會升高，然後在流動的過程中受圍岩散熱影響，又使風流溫度逐漸升高，到達移動變電站前時風流溫度達到20℃左右。春、秋季節地麵空氣的溫度與流經巷道圍岩溫度相差不大，所以風流到達移動變電站前時風流溫度與地麵溫度變化不大。夏季地麵空氣溫度高，巷道圍岩溫度又在20℃以上，再加上夏天空氣中水蒸氣的含熱量也大，所以夏季地麵空氣流入井下後，溫度降低得較小。因此春、秋、冬季地麵空氣的溫度對工作麵進風風流的空氣溫度影響較小，夏季地麵空氣溫度，對工作麵進風風流溫度影響較大。
2.1.2移動變電站設備散熱
綜放工作麵電器設備最集中的地點為移動變電站，風流流經移動變電站時溫度會升高，移動變電站負荷越大，散熱量越大。工作麵正常時，移動變電站散熱量為從進風井口至工作麵回風風流吸收總熱量的10％左右。
2.1.3落煤散熱及運煤的散熱
采煤工作麵采煤機在割煤時，煤層和頂底板岩層的溫度較高，散發大量的熱量，使工作麵的風流的溫度沿工作麵逐漸升高5--6℃，采煤過程中工作麵散發的熱量占從進風井口到工作麵回風風流總吸收熱量的百分比隨季節不同而變化。
2.1.4風流在流動過程中吸收熱量的計算
由以上的03manbetx 可知，在礦井的各種熱源中，除機電設備散熱較集中外，其他熱源分布較分散，單獨計算每種熱源散放的熱量比較麻煩且沒有必要。依據對工作麵進風流溫度的影響，把井下熱源的影響分為3段：第一段從井口到工作麵移動變電站前，稱為進風巷道，這一段主要是進風巷道各種熱源對工作麵進風流的影響；第二段為工作麵移動變電站，由於移動變電站散熱量大，直接影響工作麵的勞動氣象條件；第三段為采煤工作麵，工作麵運轉的機電設備多，開采強度大，煤層頂、底板岩石散熱及煤的氧化和采空區的散熱，使工作麵空氣溫度逐漸升高。
礦井通風的狀態變化過程屬於定壓過程，在定壓過程中係統所吸收的熱量等於係統狀態比焓的增加。因此．根據巷道起、末兩斷麵測定的空氣濕度與溫度，按下式可計算出風流經過各段時所吸收（或散發）的熱量：
q＝m（i2一i1） （4－2－1)
式中q—空氣所吸收（散發）的熱量， kJ；
m—質量風量，kg/min；
i1、i2—風流起、末斷麵空氣的焓值，kJ／(kg幹空氣)。
由公式(4－2－1)可計算各采煤工作麵從進風井口到工作麵回風各段風流吸收（散發）的熱量值。通過對計算結果03manbetx 得出以下結論：
(1)工作麵進風順槽的移動變電站是工作麵進風流的主要熱源，風流流經移動變電站後，焓值增加7kJ/kg左右，使工作麵進風風流溫度升高2－3℃。
(2)工作麵生產時散熱量大，如風流經過采煤工作麵焓值增加了20kJ／（Kg幹空氣）左右，工作麵的熱量主要來自機電設備散熱和煤岩的散熱。
2.1.5空氣溫度
實測表明，春、秋季節由於氣溫變化不大，故地麵空氣的相對溫度變化也不大；夏季隨著氣溫的升高，相對濕度逐漸降低，而下午3點鍾後氣溫降低，相對濕度迅速升高；冬季氣溫較低，相對溫度較小，且日變化小。地麵空氣的相對濕度隨著空氣溫度的變化而變化。
井下風流的濕度總體上隨著風流的流動逐漸增大，到達移動變電站時相對濕度均在90%以上；流過移動變電站由於溫度升高，風流的相對濕度略有降低；進入工作麵風流的相對濕度逐漸增大，達到96%以上，有時達到100%。
工作麵風流的相對濕度無論在何季節，都在90%以上，變化不大，即地麵空氣的相對濕度的變化對工作麵風流的相對濕度不產生影響。
2.1.6煤塵濃度
綜采、綜放工作麵產量高，開采強度大。綜采工作麵采煤機割煤時的瞬時全塵濃度每立方米高達上萬毫克，嚴重地汙染作業環境，損害工人身體健康，危及人身與礦井安全。采煤工作麵風量計算，應考慮有利於降低采煤工作麵粉塵濃度。工作麵的風速大小直接影響著采煤機及其他塵源的產塵量。當在一定限度內增加風速時，由於風流稀釋和帶走粉塵而使粉塵濃度降低，但風速超過某值，由於揚起沉積的粉塵和減慢粉塵的沉降過程而導致粉塵濃度增大。因此，綜采、綜放工作麵煤體的水分、采煤機的能力和所采取防塵措施對最佳排塵風速影響很大。
2.1.7采煤工作麵長度對氣候條件的影響
根據測定資料，采煤工作麵的氣候條件受季度和工作麵配風量的影響，在風量一定時，隨著風流在工作麵的流動，濕卡他度值逐漸降低，即工作麵氣候條件沿著工作麵的長度逐漸變差。當達到一定長度（一般l00m左右）時，濕卡他度值下降得比較快，說明工作麵長度加大後，改善工作麵的氣候條件，應加大配風量。根據充州礦區的測定，綜采、綜放工作麵長度每增加l00m，配風量應增加20％。
2.2綜放工作麵風量計算公式
通過綜放工作麵配風量影響因素的03manbetx ，影響綜放工作麵配風的主要因素有工作麵進風風流的溫度、移動變電站設備散熱、采煤工作麵的長度和煤塵濃度。因此，綜放配風量在考慮這些因素影響時，為采煤工作麵創造良好的勞動氣候條件作為風量計算的依據，同時計算公式簡單、參數直觀、可測。
2.2.1綜放工作麵風量計算的依據
根據測定的綜放工作麵風量的影響因素，綜放工作麵的風量計算公式滿足下列條件：
(1)以工作麵進風風流的溫度（移動變電站前）為依據，確定工作麵的風速；
(2)風速是指采煤機處及附近工作人員處的風速；
(3)綜放工作麵後部輸送機的風速不低於0.5m/s;
(4)移動變電站對工作麵氣候條件的影響；
(5)工作麵長度對工作麵氣候條件的影響；
(6)有利於瓦斯的排放；
(7)有利於降低工作麵的粉塵濃度。
2.2.2綜放工作麵風量計算公式
《煤礦安全01manbetx 執行說明》規定，工作麵需要風量應按瓦斯、二氧化碳湧出量、爆破後有害氣體產生量、工作麵溫度、風速以及作業人數等因素分別計算後，取其最大值。兗州礦區綜放工作麵需要風量計算也是依照這個規定進行，但考慮到工作麵瓦斯湧出量低、工作麵人數不多、無放炮作業等具體情況，在計算順序上有所變動。
（1）按風速和溫度計算需要風量：
Qf＝60×V×S×K長 (4－2－2)
式中Qf—綜放麵需風量，m³／min;
V—綜放工作麵的風速，按進風風流的溫度由表4－2－1選取，m/s;
S—綜放工作麵平均有效通風斷麵積（按最大和最小控頂距時的平均值），m²；
K長—采煤工作麵麵長調整係數，按表4－2－2選取。
表4-2-1綜放工作麵進風空氣溫度與風速對應表

采煤工作麵空氣溫度（^oC） 采煤工作麵風速（m/s） 15-18 0.8 18-20 0.8-1.0 20-23 1.0-1.3 23-26 1.3-1.6 26-28 1.6-2.0

注：采煤工作麵空氣溫度，應在工作麵運輸機上方空間中央．距回風順槽15m處的風流中側定。

表4-2-2采煤工作麵麵長調整係數表

采煤工作麵長度（m）

<160

160-200

200-260

260-300

>300

K長 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4

(2)按瓦斯湧出量驗算所需風量：
Q≥100×q×K₂（4－2－3)
式中Q—綜放工作麵需要風量，m³／min;
q—綜放工作麵瓦斯絕對湧出量，m³／min;
K₂—綜放工作麵瓦斯湧出不均勻的備用風量係數，取1.2-1.6。
按二氧化碳湧出量驗算需用風量，可參照按瓦斯湧出量驗算方法。
(3)按工作麵作業人數驗算所需風量
Q≥4N （4－2－4)
式中Q—綜放工作麵需要風量，m³／min;
N—綜放工作麵同時工作的最多人數，人。
上述計算結果為工作麵正常情況下需要的風量．在某些情況下也可適當增加或減少部分風量。如充州礦區3煤層自然發火比較嚴重，若工作麵出現自然發火隱患，為防火需要，在保證工作麵瓦斯不超限不影響排除粉塵的情況下，一般都適當減少部分風量。

3、通風係統優化管理
優化礦井通風係統，建立係統合理、穩定可靠、運行經濟、抗災能力強的礦井通風係統是礦井通風工作的首要任務。
3.1實行分區通風
礦井一翼、水平、采區均有獨立的通風係統是通風係統合理的重要標誌，兗州礦區所屬礦井均嚴格實行分區通風。
3.2建立了礦井主要膠帶巷獨立通風係統
膠帶火災對礦井安全威脅極大。傳統的通風方式是采取主要軌道巷和主要膠帶巷雙巷進風，以降低礦井通風阻力。在這種方式下一旦膠帶著火，有害氣體將危害下風側區域，使火害擴大。為了最大程度地限製災害範圍，防止有害氣體蔓延，建立膠帶巷獨立通風係統是最有效的途徑。此外，獨立的膠帶巷通風係統可降低煤倉、溜煤眼放空時對通風係統的影響，增加通風係統的穩定性，對防治采空區瓦斯湧出和煤層自然發火有重要意義。
為了建立膠帶巷獨立通風係統，充州礦區對原有的膠帶通風係統進行了大規模改造。目前，南屯、興隆莊、鮑店、東灘4對礦井的主要膠帶巷均建立了獨立通風係統，濟寧二號、濟寧三號、北宿、楊村礦的主要膠帶巷及采區膠帶運輸巷均布置在回風流中，從而大大提高了礦井的抗災能力。
3.3建立了局部反風係統
當采區內部的進風係統或工作麵進風巷發生火災時，需迅速調整預設的反風風門開關狀態，在主要通風機保持正常運行條件下，實現采區內部巷道或采煤工作麵風流反向，使火災風流直接流入采區回風巷或主要回風巷中。充州礦區在采區、工作麵設計時布置了局部反風係統，提高了礦井的抗災能力。
3.4.優化通風網路
為了簡化礦井通風係統，兗州礦區各對礦井均應用了通風係統優化技術，用計算機優選通風方案，使礦井通風係統更加合理，降低了井巷阻力。
3.4.1通風係統優化的原則
通風係統優化是在保證一定通風安全效果的前提下，使通風費用最低。所謂一定的通風安全效果，是指適應我國目前生產技術發展水平，符合我國有關法規要求的通風安全效果。它可以用以下幾個主要指標反映：
（1）礦井風量和用風地點風量應符合規定的風質和供風標準。
（2）風量比（供風量／需風量），以1．1－1．2為宜。
（3）有效風量率大於 85％。
（4）礦井主要通風機風壓應符合下列要求：Q扇< 3000m³/min, h < 1500Pa; Q扇＝3000－5000 m³/min，h < 2000Pa；Q扇＝5000－10000 m³/min，h < 2500Pa；Q扇>10000 m³/min，h < 3000Pa。
（5）礦井通風係統穩定（主要指礦井主要通風機、用風區風流的穩定度）。
（6）防災抗災能力強。
（7）礦井通風總費用最低。礦井通風費用主要指通風電費、通風專用工程費用、其他如管理、維護）費用。
在滿足一定的通風安全效果的前提下．通風係統優化應遵循以下原則：
a)以礦井實測數據為基礎。
b)以滿足各時期礦井總用風量和各用風地點風量為前提。
c)以礦井通風係統中決策的間題為內容。
d)充分利用現有井巷和設備，考慮優化措施時先挖潛後新建。
e)以提高經濟效益，實現各時期通風節能為目的。
3.4.2礦井通風係統優化的基本內容
礦井通風係統是一個由風機、風網和通風設施等多要素組成的複雜的動態係統。一般地說，礦井通風係統優化分為：
(1)通風係統的選擇。主要包括礦井進回風井筒的位置、數量、通過能力和主要通風機的配置、安裝地點、工作方式、供風能力的選擇和優化。
(2)風機工況的優化。主要指通風網路的選擇和優化、風機運行狀態的選擇、通風控製的優化等。
(3)單項通風工程的優化。
3.4.3礦井通風係統優化步驟
通風係統優化按下列順序開展工作：
（1）現場技術測定。這是係統優化的基礎工作，主要包括礦井主要通風機性能測定和礦井通風阻力測定。
（2）礦井通風現狀的模擬。由礦井主要通風機性能測定、礦井通風阻力測定結果和礦井通風網路圖組成，利用通風網路解算軟件進行解算，得出當前礦井網路各分支的風量、風阻等基礎數據。
（3）優化區間的采掘布置和配風。根據礦井發展規劃和采掘接續圖表，確定優化區間不同時期有代表性的采掘布置狀況，作為係統優化的狀態。根據礦井用風地點的配風標準，確定各時期各用風地點的配風及礦井總用風量。
（4）各采掘狀態的通風係統優化。每一狀態的優化計算的基本步驟是：
a）根據采掘工作麵的布置位置，畫出礦井通風係統圖和通風網路圖；
b）準備和輸入各分支的基礎數據；
c）準備和輸入各用風地點需風量；
d）采用礦井通風網路優化計算軟件，計算滿足全部風量要求時的最佳調節方案及風機設計工況點；
e）檢查實際風機性能是否滿足設計工況點的要求；
f）若風機能力不能滿足要求或風機運行狀態不理想時，調整網路結構；
g）對網路結構和數據作相應修改後，再回到步驟d進行優化計算。
在每次進行優化計算時，都自動作以下限定：
a）必須滿足各用風地點的風量要求；
b）除主要通風機外，係統內隻能采用增阻調節措施；
c）礦井進風係統不進行調節；
d）優化的目標是使風機總功率最小，調節設施最少；
e）風機風量和風壓在滿足以上限定條件下取最小值。
3.4.5穩定礦井通風係統
兗州礦區在穩定礦井通風係統方麵主要采取了下列措施：
(1)礦井主要通風機裝備風機監控係統，提高風機運行的可靠性。
(2)風門閉鎖，即安裝風門閉鎖裝置，使一組風門不能同時敞開。目前兗州礦區的井下風門除個別臨時風門外，全部實現了開關閉鎖。
(3)風門遙訊，即利用礦井安全監測係統對風門開關狀態實現地麵遙訊。
(4)防煤倉放空，即安裝煤倉防放空閉鎖裝置。